Bevezetés Az értekezés azon munka összefoglalása, melyet 1999 februárjában még egyetemi hallgatóként kezdtem, 1999 szeptembere és 2002 augusztusa között mint PhD ösztöndíjas, 2002 szeptembere és 2003 júniusa között mint predoktor végeztem a Debreceni Egyetem Kísérleti Fizikai Tanszékén prof. dr. Csikai Gyula irányítása alatt. Az értekezés témája a kiterjedt közegek neutronokkal történő analitikai vizsgálata. Tartalmazza a neutronvisszaszórási hatáskeresztmetszet és a fluxusperturbációs tényező mérésében elért eredményeket, valamint a grafit és a hidrogénes moderátorok aktivációs analízisben való felhasználásának összehasonlítását. (Kiterjedt közegek hidrogéntartalmának meghatározására annak tudományos és gyakorlati jelentősége miatt a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség egy nemzetközileg koordinált programot indított 1997-ben. ) A méréseket a Debreceni Egyetem Kísérleti Fizikai Tanszékén végeztük, kivéve a grafitmáglyában történt besugárzásokat és az abszolút aktivitás mérését, melyeket japán együttműködésben a High Energy Accelerator Organization (KEK), Radiation Science Center intézetében Tsukubában (Japán) végeztünk T. Sanamival és T. Michikawával közösen. Kutatásainkat az Országos Tudományos Kutatási Alapprogramok (OTKA T037190) és a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség (International Atomic Energy Agency, Vienna, 10886/R0 és 9645/R0) támogatták. 1. A neutronvisszaszórási hatáskeresztmetszet Előzmények A neutronvisszaszórási hatáskeresztmetszet (σ β ) fogalmát Csikai és Buczkó vezették be 1999-ben [1] minták visszaszórási tulajdonságának mikroszkopikus jellemzésére. Előzménye az Amaldi és Fermi által 1936-ban bevezetett albedó (β) fogalma [2], mely a neutronvisszaszórást makroszkopikus értelemben jellemzi. A neutronvisszaszórási hatáskeresztmetszet nem független a geometriától, a szóróközeg elemi összetételén kívül függ a mérés elrendezésétől is (1. ábra). Jelölje I az időegységenkénti beütésszámot minta jelenlétében, I 0 pedig üres R = I I 0 I mennyiségre a következőt írhatjuk: mintatartóval. Ekkor az ( ) 0 nσ R = S β = C CNdσ β, (1) Bulk hydrogen analysis, using neutrons, IAEA/PS/RCM97-1, Vienna, 1997 1
ahol C = 10-24 cm 2 /barn arányossági tényező, n a minta összes atomjainak száma, σ β (barn) a neutronvisszaszórási hatáskeresztmetszet, S (cm 2 ) a minta detektor felé néző felülete, N (atom/cm 3 ) a minta egységnyi térfogatában levő atomok száma, d (cm) a minta vastagsága. A σ β mérésekor ügyelni kell a minta vastagságának megválasztásánál, különösen nagy abszorpciós hatáskeresztmetszetű elemek (Cl, Co, Ag, Hg) továbbá néhány fém (Zn, Fe, Cu) és vegyületeik esetén, mert σ β csak bizonyos mintavastagságig (~1 cm) állandó. A molekulára vonatkozó reflexiós hatáskeresztmetszet: σ β mol = niσ β i, (2) i ahol n i és σ βi a molekula i típusú atomjainak száma és reflexiós hatáskeresztmetszete. A különböző elemek neutronvisszaszórási hatáskeresztmetszete állandó arányú része a megfelelő (Maxwell-eloszlású neutronokra átlagolt) rugalmas szórási hatáskeresztmetszetnek. A mérések szerint [6] az 1. ábrán látható elrendezésben ez az arány: σ σ = 0, β EL 59. n Mintatartó θ Minta Cd Moderátor CH 2 BF 3 Pu-Be 18.5 GBq 10 cm 1. ábra Mérési elrendezés a neutronvisszaszórási hatáskeresztmetszet A Buczkó és mások által 1975-ben [7] kifejlesztett módszer szerint az R 1 I I η = = ρ ρ I 0 0 (3) mennyiségeket (ahol ρ a minta sűrűsége) a minták H hidrogéntartalmának (m%) függvényében ábrázolva egyenest kapunk. 2
Eredmények A neutronvisszaszórási hatáskeresztmetszet mérése aktivációs fóliával BF 3 számláló helyett Cu aktivációs fólia felhasználásával határoztuk meg néhány elem és vegyület reflexiós hatáskeresztmetszetét, mivel így a mérés geometriája egyértelműbb. Jelölje A a fólia aktivitását a minta jelenlétében, A 0 pedig üres mintatartóval. Ekkor az R = ( A A 0 ) A0 mennyiségre igaz az (1) összefüggés. Ellenőriztük szénhidrogének (CH), CHO vegyületek és víz felhasználásával, hogy az η H (m%) függvény valóban egyenes. Ennek és a (2)-nek felhasználásával hidrogénre: σβ, H = 34,4 ± 1, 2barn. Meghatároztuk szén, oxigén, alumínium és cink esetén a neutronvisszaszórási hatáskeresztmetszeteket. Azt találtuk, hogy ezek (az eltérő geometria és detektoranyag miatt) kb. kétszer akkorák, mint a BF 3 számlálóval kapottak. A neutronvisszaszórási hatáskeresztmetszet mérése BF 3 számlálóval, relatív módszerrel Módszert dolgoztunk ki, mellyel lehetővé válik a reflexiós hatáskereszmetszet relatív mérése. Referenciának tekintettük a CH 2 molekula neutronvisszaszórási hatáskeresztmetszetét. A módszer alapja az a tapasztalatunk, hogy a mintában ½ d pozícióban elhelyezett polietilén fóliaréteg (mely jól szimulálja az egyenletesen elosztott fóliát) vastagságának az R többlet beütés a vizsgált tartományban lineáris függvénye: R = sd p + R T, (4) ahol s a meredekség, d p a polietilén vastagsága, R T a δ vastagságú tiszta mintától származó többlet beütés (2. ábra). Nevezzük a d = e RT s polietilénvastagságot ekvivalens vastagságnak. Az ekvivalens vastagság a polietilén fólia azon vastagsága, melynél a polietiléntől a minta jelenlétében származó többlet beütés ugyanannyi, mint az adott vastagságú tiszta mintától származó. Ez az eltérő meredekség miatt nem egyenlő a polietilén azon vastagságával, melyet tiszta polietilén mérésével kapnánk. 3
R Cu CH 2 R T+CH2 R T 0.3 0.2 R 0.1 _ d e d 0 200 160 120 80 40 0 40 80 Polietilén vastagsága, d p (mg/cm 2 ) + 2. ábra Az ekvivalens vastagság fogalmához Az ekvivalens vastagság fogalmából levezethető a következő: ρ d M σ =, (5) CH 2 e T β,t σ β,ch 2 ρtδ M CH 2 ahol σ β,t a minta anyagára vonatkozó reflexiós hatáskeresztmetszet, ρ T a minta sűrűsége, M T a moláris tömege, σ β,ch2, ρ CH2, M CH2 a megfelelő mennyiségek polietilénre, δ a minta vastagsága, d e az ekvivalens vastagság. Az ekvivalens vastagság meghatározásával és az (5) felhasználásával az adott mintát alkotó atomok vagy molekulák neutronvisszaszórási hatáskeresztmetszetét relatív módon határozhatjuk meg, a polietilénre kapott σ β, CH 2 = 37,6 ± 1,0 barn értéket használva referenciaként. Meghatároztuk különböző elemek reflexiós hatáskeresztmetszetét a fent leírt relatív, néhány esetben pedig az abszolút [1] módszert alkalmazva. A σ β -k és a Maxwell-eloszlású termikus neutronokra átlagolt σ EL rugalmas szórási hatáskeresztmetszetek hányadosára a következőt kaptuk: σ β σ EL = 0,6 ± 0, 02. Ezen arány és a σ β ismeretében az adatkönyvtárakból hiányzó σ EL megadható. A reflexiós hatáskeresztmetszetek ismeretében bármely X elemre vagy vegyületre mint referenciára vonatkozó d e,x ekvivalens vastagság kiszámítható a következő egyenlőség felhasználásával: 4
ρ d X e,x M σ X β,ch 2 = ρch 2d e,ch 2 M CH 2 σ, (6) β,x melyből vízre ρh 2Od e,h 2O = 1,30 ρch 2d e,ch 2, hidrogénre ρh d e,h = 0,16 ρch 2d e,ch 2 következik. Ha például a δ vastagságú mintába vizet teszünk referencia anyagként (X = H 2 O), akkor a (6) egyenlőség megadja a vízre és a már ismert, polietilénre vonatkozó ekvivalens vastagság közötti összefüggést. Ez főként akkor lehet hasznos, ha nem akarjuk, hogy a mintánk vízzel érintkezzen, mégis szükségünk lenne víztartalom meghatározásához a kalibrációs egyenes felvételére. A tiszta mintára vonatkozó többlet beütés (R T ) és a víznek mint referenciának ekvivalens vastagsága elegendő az egyenes meghatározásához (2. ábra). 2. Fluxuseloszlás Előzmények A neutronok analitikai és egyéb célokra történő alkalmazásában gyakran elengedhetetlen, hogy egy moderátorban vagy kiterjedt mintában minél pontosabban ismerjük a neutronfluxus eloszlását. Ezt legegyszerűbben detektorfóliák alkalmazásával érhetjük el. Azonban a mérőeszköz megváltoztatja a mérendő mennyiséget, módosítja a mérés eredményét (3. ábra). Ezért szükséges bizonyos korrekciós faktorok bevezetése. φ 0 φ m Környező anyag φ φ s Fólia 3. ábra A fluxusperturbáció (F), az önárnyékolás (G) és a fluxusdepresszió (H) definíciójához [9, 10] 5
A fólia a környező anyagnál nagyobb befogási hatáskeresztmetszetének köszönhetően mintegy kiüríti közvetlen környezetét. A jelenség neve fluxusdepresszió, mennyiségileg a H fluxusdepressziós faktorral jellemezhető: H = φs φ0, (7) ahol φ s a neutronfluxus a fólia felületén, φ 0 a háborítatlan fluxus, mely a fólia távollétében jellemzi az adott helyet. A fólián belül a külső rétegek kevesebb neutront engednek a belsőbb rétegekbe, a fólia mintegy árnyékot vet önmagára. A jelenség neve önárnyékolás, mennyiségileg a G önárnyékolási faktorral jellemezhető: G = φ φ s, (8) ahol φ a fólián belüli átlagos fluxus: d 1 φ φ = ( x) dx, (9) d 0 d a fólia vastagsága, φ ( x) a fluxuseloszlás a fólián belül. A teljes fluxusváltozást az F fluxusperturbációs faktor jellemzi: F = φ φ 0, (10) mely előáll a G önárnyékolási és a H fluxusdepressziós tényező szorzataként: F = G H. (11) Mivel kiterjedt minták esetén a minta helyén a zavartalan fluxus hely szerint nem állandó, ezeknél (7) és (10) kifejezésében φ0 értendő φ 0 helyett. Judd [12] szerint a rezonancia neutronok tartományában H = 1, amennyiben a rezonanciák keskenyek és elegendően távol vannak egymástól. Az önárnyékolás és a fluxusdepresszió tényezőinek számítással történő meghatározása nem egyszerű feladat, de nem lehetetlen, ha a formulákban szereplő paraméterek ismertek. Olykor viszont (főként aktivációs analízisnél) a minta összetétele ismeretlen (hiszen éppen ezt akarjuk meghatározni). Buczkó és Borbély 1978-ban módszert dolgoztak ki az átlagos termikus neutronfluxus meghatározására abszorbeáló mintákban [18] vékony mérőfóliák segítségével. Eredményük szerint a termikus neutronfluxus eloszlását a φ 2 ( x) = ( ax + bx + c) 1 (12) 6
görbével írhatjuk le, ahol x a minta felületétől mért távolság, a, b, c illesztési paraméterek. Khalil [20] szerint az epitermikus neutronfluxus eloszlását a φ 4 3 2 ( x) = ( a x + a x + a x + a x + ) 4 3 2 1 a0 1 (13) függvény írja le, ahol a i (i = 0, 1, 2, 3, 4) illesztési paraméter. Eredmények Meghatároztuk az általunk használt, henger alakú Pu-Be forrás aktív közepének helyét. Méréseink szerint ez 1,5 mm-rel van a geometriai közepe alatt. Az F, G és H tényezők vékony mintákban Meghatároztuk a neutronfluxus eloszlását és az F, G, H tényezőket vékony indium és arany fóliakötegekre termikus és epitermikus neutronok esetén, bonamid és grafit moderátorban. Méréseinkben H 1 az epitermikus neutronokra. Ennek oka, hogy az indium és arany abszorpciós gerjesztési függvényeire az epitermikus tartományban nem teljesülnek a Judd cikkéből [12] idézett feltételek. Méréseink szerint az F, G, H tényezők a kötegvastagság függvényében termikus neutronok esetén a következőképpen adhatók meg: F G H ( d fd ) F e = 0, (14) ( d gd ) G e = 0, (15) ( d hd ) H e = 0, (16) ahol F 0, G 0, H 0 (=1) a d = 0 vastagsághoz tartozó értékek, f, g, h illesztési paraméterek. Epitermikus neutronokra csak a H fluxusdepresszió esetén érvényes az exponenciális összefüggés (16). 7
Az F, G és H tényezők kiterjedt mintákban Meghatároztuk a neutronfluxus eloszlását és az F, G, H tényezőket kiterjedt grafit, bonamid [(CH 2 ) 5 CONH], PVC (C 2 H 3 Cl), plexiüveg (C 5 H 8 O 2 ), vas és alumínium mintákban, bonamid és grafit moderátorban In, Au és Dy mérőfóliák segítségével. A mérési pontok illesztésekor számos esetben a (12) függvény nem írta le jól a fluxuseloszlást. Ez csak a hidrogént tartalmazó minták (bonamid, PVC, plexiüveg) esetén fordult elő, amikor a szélektől a minta közepe felé haladva a változás jelentős volt (1,3 4,4-szeres). Ekkor egyszerű másodfokú függvénnyel illesztettünk. A termikus és epitermikus neutronok aránya Meghatároztuk bonamid, PVC és plexiüveg minták esetén a termikus és epitermikus neutronfluxusok arányát In mérőfóliák segítségével. Az átlagos termikus és epitermikus fluxusok aránya bonamid mintában 6,5, plexiüvegben 7,0, PVC-ben csak 2,7, mert a PVC-ben lévő Cl elnyeli a termikus neutronokat. A moderátorok összehasonlítása A grafitmáglya (250 190 190 cm 3 ) és a henger alakú bonamid tömb (átmérője 30 cm, magassága 30 cm) moderátorként való felhasználásának előnyeit és hátrányait tekintjük át. Grafit moderátorban a termikus neutronfluxus kevésbé változik a forrástól mért távolság függvényében, mint hidrogéntartalmú moderátorban. Ezek alapján kiterjedt minták elemzésére célszerűbb grafit moderátort alkalmazni, ahol a forrástól 10 cm távolságban mért termikus neutronfluxus csak 6%-kal tér el a 20 cm távolságban mért értéktől, míg víz moderátorban ugyanezen a távolságon a fluxus 1/13 részére csökken. Ugyanakkor grafit moderátorban az F fluxusperturbáció értékei PVC, vas és alumínium mintában mind Al, mind Cd mintatartóban közelebb vannak az 1- hez, mint bonamid moderátorban. Vékony minták esetén a termikus neutronokra vonatkozó F fluxusperturbáció a kötegvastagság függvényében sokkal kevésbé változik bonamid moderátorban, mint grafit moderátorban. A termikus és epitermikus neutronok aránya bonamid moderátorban nagy, azaz az epitermikus neutronok száma a termikusakéhoz képest kicsi, így aktivációs analízis céljára epitermikus neutronokat használni nem célszerű. 8
Mindezek alapján azt a következtetést vonhatjuk le, hogy aktivációs analízist termikus neutronokkal célszerű végezni, vékony mintákat hidrogénes, kiterjedt mintákat grafit moderátorban besugározva. 9